基于概念設計的客車車身結構設計與優化系統

基金項目：國家自然科學基金資助項目（11272077）；遼寧省“百千萬”人才項目（2010921057）；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（DUT12LK10）

作者簡介：侯文彬（1973-），男，河北張家口人，大連理工大學副教授，博士

摘要：針對客車車身結構概念設計的特點，開發了客車車身結構概念設計與優化系統（簡稱BCD），建立了參數化的客車車身結構概念模型以該模型為模板，實現了新客車車身結構概念幾何模型的創建和車身尺寸參數調整，同時建立了車身系統的靜態剛度分析、低階模態分析、靈敏度計算和優化設計計算的自動化過程，對車身的結構性能和低階模態進行了有效的預估最后，本文使用該系統計算了某客車車身結構的剛度和低階模態，并在保證車身質量降低的情況下實現了剛度和低階模態的提高，有效的改善該車身結構性能，實現了車身輕量化，驗證了BCD系統的有效性和可靠性

關鍵詞：客車車身；概念設計；車身優化；輕量化

中圖分類號：U46221文獻標識碼：A

客車車身骨架是由薄壁桿件組成的復雜的空間高次超靜定結構，是整車的關鍵總成其受力情況復雜，結構分析難度較大，并且其結構性能的好壞與客車車身使用壽命直接相關[1-2]一般來說客車車身結構應該滿足如下要求：具備足夠的靜態結構剛度以滿足裝配及使用要求；強度上要能承受實際工況中出現的最大靜載荷及動載荷，以保證其疲勞壽命；還應具有合理的動態性能以達到控制振動和噪聲的目的[3-4]客車車身的開發流程可以分為：產品策劃、概念設計、技術設計、產品試制、產品試驗和生產準備6個階段其中客車車身結構概念設計階段對于整車開發具有重要意義，是保證整車性能、設計質量及可靠性的重要階段，是集中體現創造性思維的階段在實際應用中，客車車身結構概念設計一直是客車車身開發的薄弱環節隨著設計人員對概念設計階段重要性認識的加深，歐美等主要客車廠商越來越注重概念開發階段的工作，但是總體說來，客車車身結構概念設計的發展水平還遠遠沒有達到轎車相應水平[5]本文結合客車車身結構概念設計階段的特點，開發了客車車身結構概念設計系統該系統在概念設計階段引入參數化設計思想、CAE分析和優化方法，將參數化建模、CAE分析和優化計算集成為一體，實現了CAE分析的智能化和“分析驅動設計”的設計理念，并且對于實現客車車身輕量化具有重要意義

1BCD系統介紹

BCD系統是在Siemens NX 件平臺進行二次開發實現，其系統結構如圖1所示，為三層體系結構最頂端的用戶層提供了供用戶操作的向導式界面，該系統將客車車身結構概念設計階段復雜的操作分解為24步簡單操作，使用UI Styler創建了與操作步驟對應的交互式操作界面，并通過底層知識庫將已有設計經驗作為默認設計參數加載到對話框中，指導用戶操作邏輯層分為4個模塊，包括幾何建模模塊、有限元建模模塊、求解與后處理模塊和車身參數優化模塊在幾何建模模塊中，用戶可以對系統提供的客車車身結構概念模型的尺寸參數進行編輯，以創建新的客車車身結構概念模型；在分析模塊中用戶可以選擇分析工況類型，包括彎曲剛度計算、扭轉剛度計算和模態分析，系統自動完成對概念模型的網格劃分，加載梁截面屬性和材料屬性，設置載荷值和約束條件，用戶既可以選擇接受系統提供的這些參數的默認值，也可以根據實際分析需要自行設置需要的參數；在求解與后處理模塊，系統自動調用 NX Nastran求解器進行計算，然后生成后處理視圖和分析報告；車身優化模塊的主要功能是對概念車身進行靈敏度分析并進行尺寸和形狀優化，獲得優化的車身結構參數物理層指進行車身結構概念設計時用到的各種數據庫，包括車身模板庫、梁截面庫等，具體指保存有相應信息的電子表格為了實現車身結構概念模型的全參數化，在建立車身結構概念模型時將所有參數信息都存儲在相應的電子表格中，形成不同的參數庫系統運行時會自動加載參數庫中的參數信息，也可以將新的設計參數保存到參數庫中邏輯層和物理層通過NX/Spreadsheet電子表格技術建立聯系，在邏輯層和物理層之間進行數據傳遞

2客車車身結構參數化的定義實現

在BCD系統中，客車車身參數化的實現主要依靠模板完成，模板是一個帶有若干產品屬性的參數化的車身幾何模型，其形狀是可調節的系統通過模板可產生新的車身模型下面介紹模板及設計參數

21設計參數的確定

1） 總體結構參數：輪廓尺寸（車長、車高、車寬）、軸距、前懸、后懸因為對于客車車身，接近角、離去角與車身蒙皮有關，車身結構概念模型不考慮車身蒙皮，所以沒有選擇接近角、離去角作為結構參數圖2為車身結構概念模型長度方向上參數定義

2） 外觀特征參數：前門寬度及高度、后門寬度及高度、前后輪輪框寬度、車窗高度前后輪輪框高度及車窗寬度通過調整梁位置實現尺寸調整

22概念模型的創建原則

建立概念車身參數化模型時，既要考慮車身概念設計階段的特點，也要考慮到后續參數化有限元模型的自動生成，綜合考慮，提出了建立概念車身參數化模型應遵循的原則為：

1） 將車身結構簡化為控件線框模型，在不改變車身結構主要力學特性的前提下，忽略工藝孔、翻邊、小的肋板等對整體剛度影響較小的非承載件在自動建立有限元模型時，用梁單元進行模擬計算

2） 對于同向焊接的兩根梁，因為其焊接處強度近似等于材料內部強度，故可將其簡化為一根梁

3） 為了實現概念車身參數化模型的快速修改，需要給設計者提供合適的設計參數和約束條件，但是過多的約束將使模型過于詳細，不符合車身結構概念設計的要求，約束過少又難以滿足整體設計要求

23設計參數的確定

系統使用UG/KF技術建立客車車身結構概念模型，模型屬性按照性質的不同，可以分為兩部分，如圖3所示一部分是用于創建幾何對象的子規則，另一部分是用于表達幾何對象間參數關系的屬性子規則用來創建各種幾何對象，使用各種函數確定創建的幾何對象的參數關系屬性用來創建主要參數，創建幾何對象時引用已建立的屬性，當屬性值改變時即可改變幾何對象的參數在KF導航器中，建立新的子規則時，選擇ug_point創建概念模型中的點，選擇nx_line創建概念模型中的直線，選擇ug_spline_tru創建概念模型中的樣條線直線和樣條線表示車身模型中的梁綜合使用屬性和子規則可以實現各種參數化要求，達到參數化建模的目的

24客車概念模型的參數管理

BCD系統使用電子表格建立參數數據庫，保存和管理各種參數信息這些參數信息通過UG/Spreadsheet接口導入到BCD系統中，通過調用相應函數完成數據的讀寫及表單的建立、制作圖表等操作電子表格中存儲的參數信息可以分為概念模型幾何信息和用于建立概念模型的有限元模型的信息概念模型幾何信息包括車身主要尺寸參數、車身側圍梁位置、車身頂架梁位置信息、梁截面信息等用于建立概念模型的有限元模型的信息包括默認的載荷值和約束情況、梁單元信息等在創建參數化的概念模型時，為了實現對已有經驗和知識的重用，將國家標準和一些學者的研究結果作為經驗，以約束和限制車身參數的修改范圍

25車身模板中梁的編輯

2.5.1梁幾何位置調整

2.5.2梁的增加和刪除功能

BCD系統提供了梁的增加和刪除功能，便于用戶對模板的調整梁的增加功能是通過增加一個NX Studio Spline曲線對象， 然后附上相應的截面、材料和有限元屬性

3客車車身結構分析

客車車身結構概念設計系統（BCD）的一個重要的設計理念就是在車身結構概念設計階段引入CAE分析，系統根據已經建立的客車概念車身參數化模型及用戶輸入的設計參數自動生成概念車身有限元模型和載荷及邊界條件[6]，用戶可以根據需要進行車身結構剛度計算和模態分析

車身結構剛度為：在不至于毀壞車身的外力的作用下，車身抵抗彈性變形的能力，是評價客車車身性能的一項重要指標，對車身其他性能如NVH性能和車身結構耐久性都有很大影響[7]客車在正常行駛中，受車內乘員、貨物等載荷的作用引起車身彎曲變形，形成彎曲工況；在特殊情況下，如汽車單輪懸空、對角輪騎障等，車身扭轉變形，形成扭轉工控車身結構靜態結構剛度分析包括車身彎曲剛度和車身扭轉剛度

客車車身進行彎曲剛度分析時，可以將車身整體簡化為一根簡支梁，對車架施加垂直載荷，使車身整體彎曲變形，測量最大撓度值，根據載荷和該撓度值就可以計算得到客車車身彎曲剛度BCD系統使用客車車身在扭轉載荷作用下產生的扭轉角大小來評價車身扭轉剛度，即用單位軸距長度軸間相對扭轉角評價整車的扭轉剛度[8-9]BCD系統由式（1）計算扭轉角，由式（2）計算車身扭轉剛度

式中：GJ為車身的扭轉剛度；M為車身所施加的扭轉載荷；φ為車身扭轉角

客車在行駛時，由于發動機運轉、路面不平等因素的存在，車身結構會在這些振源的激勵下產生振動，當振源的激勵頻率接近車身整體或者局部的固有頻率時，會發生共振現象，出現劇烈的振動和噪聲，甚至可能造成結構破壞BCD采用NX Nastran SQL103求解器可計算100階以下低階模態

4客車車身結構優化設計

為實現剛度和模態綜合多目標優化，BCD系統綜合了折中規劃法和評價頻率法[10]，采用式（3）作為綜合多目標優化目標函數，綜合了客車整車車身彎曲剛度、扭轉剛度和一階彎曲和扭轉模態4個目標

在進行優化時，一般要對客車車身結構進行靈敏度分析，這樣可以掌握車身結構性能指標對設計變量的靈敏度，選擇較靈敏的變量作為優化變量系統采用梯度法進行靈敏度計算，集成了NX的Opt優化迭代模塊，優化變量可以為厚度和截面形狀因子

5設計實例

為了驗證BCD系統，下面結合某款客車的骨架結構和尺寸，采用該系統進行結構設計和優化過程，并進行結果對比與分析該車身結構初次結構分析結果如表1所示與原車分析數據相比，分析最大誤差為扭轉剛度11285%，其它誤差均在10%以內，主要原因在于概念結構模型省略了一些加強筋所致，導致剛度有所下降

為了實現車身的輕量化，下面對車身結構進行優化設計，采用的優化變量主要是尺寸厚度優化目標選用了彎曲剛度、扭轉剛度、一階彎曲模態和一階扭轉模態4個目標值，設定該目標值大于當前值，即保持目前車身結構性能不減弱優化約束為質量小于當前質量，即車身變輕在考慮對稱的情況下，優化變量選擇梁B1等23根梁的截面厚度值作為初選優化變量，如圖5粗線條梁所示經過靈敏度分析后，挑選11根影響較大的梁的厚度作為優化變量如圖6所示

通過驗證值與優化前指標進行的對比，結果顯示彎曲剛度值提高了2489%，扭轉剛度值提高了0531%，整體扭轉振型頻率提高了0616%，整體彎曲振型頻率降低了0282%，滿足優化目標所設定的值，在車身結構性能不降低的情況下車身質量減少17095 kg，達到了車身減重的目的優化結束后BCD系統使用優化后的尺寸更新設計模型并產生車身的實體模型（見圖7），供后期設計使用

6結論

基于參數化模板技術開發實現了基于客車結構概念設計的車身結構概念設計與優化系統——BCD，實現了客車車身結構概念設計和優化的整個流程的一體化這對于縮短車身結構設計周期和車身輕量化具有實際意義通過對某型號客車車身結構模型進行的分析和優化，驗證了系統的正確性和有效性，該分析結果也可作為該客車車身后續設計階段的設計參考，以指導車身輕量化設計

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